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JP3552135B2 - Waveguide and wavelength conversion element using the same - Google Patents
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JP3552135B2 JP04852896A JP4852896A JP3552135B2 JP 3552135 B2 JP3552135 B2 JP 3552135B2 JP 04852896 A JP04852896 A JP 04852896A JP 4852896 A JP4852896 A JP 4852896A JP 3552135 B2 JP3552135 B2 JP 3552135B2
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Description

【0001】
【本発明の属する技術分野】
本発明は、第2高調波発生を利用した非線形光学結晶の導波路、及びこれを有する波長変換素子いわゆるSHG素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
波長変換素子において、第2高調波発生を効率よく発生するためには位相整合条件を満たす必要がある。位相整合方法には、波長変換素子の基板結晶の複屈折性を利用し角度同調、温度同調、電界同調を用いて位相整合条件を満たす方法や、導波路のモード分散を用いることにより、導波路の膜厚、オーバーレイヤ、チェレンコフ放射、疑似位相整合など、種々の方法が試みられている。
【0003】
波長変換素子の基板には、リチウムLi、カリウムK、タンタルTa、ニオブNb、酸素O、リンP及びチタンTiなどから構成されるLiTaO(以下、LTという)、LiNbO(以下、LNという)、KTiOPO(以下、KTPという)等の非線形光学定数の大きい強誘電体の結晶が好ましく用いられている。
【0004】
従来より、波長変換素子は、(1)LN基板上にTi拡散により導波路を作製し、導波路を伝播する基本波および高調波の位相速度を、素子の温度を調整することに一致させ、即ち、位相整合条件を満足させ波長変換を行う方法や、(2)LT基板上にLN結晶膜を液槽エピタキシャル法により作製し、その導波路の厚みを厳しく管理することで、位相整合を達成し、波長変換を行う方法、(3)LN、LT又はKTP基板上に導波路と、導波路に直交する分極反転グレーティングを形成し、位相整合を達成する擬似位相整合波長変換素子が提案されている。
【0005】
大きな変換効率を得るためには、大きな非線形定数を利用することが必要であるが、上記の(1)、(2)の方法で利用される非線形定数はd31であり、この値は、5〜7pm/Vと小さい。又、(3)の方法では大きな非線形定数d33を利用することが可能であるが、擬似位相整合方式では実効的な非線形定数deff=(2/π)d33になり、高効率化にとって不利となる。LNを用いた場合には、実効的な非線形定数は大きくできるが、波長変換で得られた青色光に対する光損傷耐性が小さく、大きな青色光出力を得ることができないという欠点がある。
【0006】
そこで、大きな非線形定数を有し光損傷耐性の大きな非線形光学結晶のKNbO(以下、KNという)を基板に用いることが試みられている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
KN導波路を形成するにあたり、KN結晶基板上にイオン交換を施す方法や、該基板にイオン注入を行う方法、あるいは、酸化マグネシウムMgOやスピネルMgOAlの基板上にスパッタ法によりKN薄膜を形成することで、導波路を作製しようとする試みはあったが、いずれも、質の良いKN導波路を作製することが困難で、実用的な波長変換素子は得られていない。
【0008】
そこで、本発明の目的は、有機金属気相成長方法(以下、MOCVDという)などの薄膜結晶形成手段によって、結晶基板上に形成された光損傷耐性の高い強誘電体結晶の導波路、及びこれを有する波長変換素子を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の導波路は、ストロンチウムSrを含むチタン酸化物のSrTiO (以下、STOという)、スピネル [(MgO)(Al )] の固溶体、MgOのいずれかの結晶からなる基板上に形成されたKTaO (以下、KTという)、KTa Nb 1−x <x<1)(以下、KTNという)などのクラッド層上に形成された、KNなどの強誘電体の結晶からなることを特徴とする。
また、本発明の波長変換素子は、ストロンチウムSrを含むチタン酸化物のSTO、スピネル[(MgO)(Al)]の固溶体、MgOのいずれかの結晶からなる基板と、前記基板上に形成されたKT、KTNなどのクラッド層と、KNなどの強誘電体の結晶からなる導波路と、を有することを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による実施例を図面を参照しつつ説明する。
発明者は、MOCVD法によってSTO基板上にKT又はKTNをクラッド層としてエピタキシャル成長させ、さらにこの上にコア層としてのKNエピタキシャル層を形成し、このエピタキシャル層が格子欠陥の極めて少ない導波路となることを知見し、本発明の波長変換素子に到った。
【0011】
光損傷耐性の高い強誘電体結晶のKN結晶は、図1に示す座標において、三辺が異なる直方体格子である斜方晶系で、その格子定数は、a=3.9692オングストローム、b=5.6896オングストローム、c=5.7256オングストロームである。斜方晶系の分極と非線形感受テンソル及び電界との関係は、式1(式中、Pは分極成分、dは2次非線形定数、Eは基本波電界成分、a、b及びcは軸方向を示す)で示されるので、
【0012】
【数1】

Figure 0003552135
【0013】
大きい非線形定数を有するKN結晶をエピタキシャル膜導波路のSHG素子として利用する場合、KNの(010)面すなわち(a−c)面で成長させてその非線形定数d32を利用できる。この場合、図1に示すように、a軸方向へ伝搬するa−b面内で振動する基本波からa−c面内で振動する第2高調波が得られる。表1にKNの非線形定数を示す。
【0014】
【表1】
(pm/V)(基本波波長λ=1.06μm)
33=−27.4±0.3
32=−18.3±0.3
32=−20.5±0.3(λ=860nm)
31=−15.8±0.3
24= 17.1±0.4
15= 16.5±0.4
しかし、MOCVDに限らず基板上に結晶膜をエピタキシャル成長させる場合、一般に基板と膜との格子定数が、ある程度整合していないと、基板に配向した良好なエピタキシャル膜は得にくく、KNの場合でも、(a−c)面成長を達成することは難しい。
【0015】
STO結晶は立方晶系であり、格子定数は3.9051オングストロームである。一方、KT結晶も立方晶系であり、格子定数は3.98905オングストロームとSTOとかなり近いものである。
従って、斜方晶系のKN結晶は、このSTO結晶又はKT結晶上に成長させる場合、KNのb,c軸の格子定数と異なるため、例えば、STO基板の(100)面上に良好な結晶成長は困難である。
【0016】
ところが、STOの(110)面は、図2に示すようにその格子定数がa軸の√2倍の5.5226オングストロームであり、KNのb,c軸の格子定数に近くなる。
よって、STOの(110)面上に、KNの(a−b)面又は(a−c)面が成長可能となる。同様に、KTの(110)面も5.6413オングストロームとなりKNの成長が可能となる。
【0017】
KNの導波路を作製するために、基板結晶にSTOを用い、その表面にクラッド層となるKT又はKTNを成長させた後に、KNをMOCVDにより成長させ、導波層とした。STOの(110)面には非常に良好なKT、KTN、KN結晶薄膜が成長する条件を見いだすことによって、良好なKN導波路を作製することが可能となった。
【0018】
STOを基板にした場合、STOの屈折率の方が導波層となるKNの屈折率よりも高く、このままでは、導波路とはならない。このために、STO基板上に、まず、KNよりも若干屈折率の低いKT又はKTNをクラッド層として形成し、この上にKNを形成することで、これを導波路として利用可能とした。基板がスピネルの固溶体又はMgOの場合には、屈折率は、KNよりも低いために、KN膜を導波路として利用可能である。しかし、この場合は、コアとクラッドの屈折率段差が0.5程度あり、シングルモード導波路として用いるためには、KN膜の厚さは1μm以下と極めて薄く形成する必要が生じ、薄いKN膜ではSHG素子の基本波を結合させ難い。このような場合にも、基板上にKT又はKTNをクラッド層として形成しておくことにより、コア及びクラッド間の屈折率段差を0.01以下にすることができ、シングルモード導波路とする際のコア膜厚を1μm以上とすることができ、SHG素子とする際の基本波の結合が容易となる。このような効果は、基板をSTOとする際にも、同様に発現する。
【0019】
次に、STOを基板として、良好なKN結晶膜を成長させる実験結果について述べる。すなわち、(110)面を主面とするSTO基板をMOCVD装置の反応室に装填し、これを設定温度まで昇温して反応室内部を設定気圧まで減圧し、出発原料として、ジピバロイルメタナトカリウム[K(C1119)](以下、K(DPM)という)と、ペンタエトキシニオブ[Nb(OC](以下、ペンタエトキシニオブという)と、を装置の気化器のそれぞれに装填して、これら出発原料をそれぞれ設定温度に保つことにより昇華又は気化させ有機金属化合物ガスとし、これをそれぞれ流量制御されたArキャリアガスを用いて加熱基板が配置された反応室へ導き、層流として流し、基板上にエピタキシャル層を析出させた。また、出発原料からの各酸化物の生成には酸化反応をともなうため、反応ガスに一定量の酸素を添加してもよい。原料ガスをSTO基板(110)面上に流すことによりKNエピタキシャル単結晶薄膜が成長できた。
【0020】
図3に示すように、STO(110)面の基板1上に基板より屈折率の大きいKNエピタキシャル層2を形成した。
エックス線回折実験によると、STO(110)面上にKN膜の(a−c)面が成長されていることが確認された。図4に示すようにエックス線回折により、STO基板(110)面上のKN膜がSTOにかなり近い回折パターンを有していることから明らかとなった。図中、縦軸は回折ビーム強度を、横軸は回折ビーム角度を示す。図から明らかなように、回折ビーム角度2θにおいて、31度及び32度付近にKN結晶面(020)及びSTO結晶面(110)のピークが、66度及び68度付近にKN結晶面(040)及びSTO結晶面(220)のピークが近接して表れている。また、同様に作成したKTエピタキシャル導波路のスラブ型波長変換素子についてもKT膜がSTOにかなり近い回折パターンを有していた。
【0021】
先に述べたように、このままではKN膜を導波路として利用できないため、次に、STO基板及びKNエピタキシャル膜導波路の間に、KNより屈折率の小さいKTaNb1−x(0<x≦1)、例えば、KT結晶からなるクラッド層を形成した波長変換素子を作製した。
このSTO基板、KT結晶クラッド及びKN結晶導波路からなるSHG素子を作製するために、上記MOCVD装置により、STO基板結晶の(110)面上に、まずKTを成長させ、続いて、KNを同装置内で成長させ、導波層とした。この様に、STOの(110)面に非常に良好なKT及びKN結晶薄膜が成長する条件を見いだすことによって、良好なKN導波路を作製することが可能である。
【0022】
すなわち、MOCVD装置の反応室にSTO基板を装填し、温度、気圧を設定し、出発原料として、K(DPM)とペンタエトキシタンタル[Ta(OC](以下、ペンタエトキシタンタルという)と、をガス化し、これらをそれぞれキャリアガスでSTO基板上に流し、基板上で反応させることによりKTエピタキシャル単結晶薄膜が成長できた。なお、KTaNb1−x(0<x≦1)エピタキシャル単結晶薄膜を形成するときは出発原料として、K(DPM)、ペンタエトキシニオブ及びペンタエトキシタンタルを用い、それぞれ原料ガス流量制御によってエピタキシャル層成分の原子比を変えて成膜する。原子比を変えることによりクラッド層及び導波路の屈折率差を制御することができる。
【0023】
図5に示すような、STO(110)面の基板1上にKTエピタキシャルクラッド層3及びこれより屈折率の大きいKNエピタキシャル層2が順に形成されたスラブ型導波路を作成した。以上の実施例では、STO(110)を基板として用いた場合について述べたが、格子定数が比較的KNと近く、立方晶系であるスピネル[(MgO)(Al)]の固溶体又はMgOの(110)面を基板としても同様な構造の良好なスラブ型導波路を得ることができた。
【0024】
こうして作製した2次元導波路のKNエピタキシャル層2上に、図6に示すように、SiOのストライプ4を形成し、さらに、基本波と第2高調波との位相整合条件を満足させ安定にこれを保つために、導波路の近傍にストライプ電極5を平行して形成し、3次元導波路即ちチャネル型導波路を作製した。その電極間に電界を印加し、1次の電気光学効果によって、基本波モード及び第2高調波モードの実効屈折率を、共に電場で変化させて位相整合を得る。またSiOストライプ4上に半導体レーザ制御用回折格子6を形成してもよい。
【0025】
基本波λ=860nmをこの屈折率の大きいエピタキシャル層2に導波させることにより、良好な光閉じ込めが達成され、第2高調波λ=430nmが高変換効率で得られた。さらに、かかるSHG素子では、KNはLN、LT、LNTに比較して、光損傷しきい値が高いので、高い出力まで安定した動作が得られた。なお、KTエピタキシャルクラッド層の膜厚は基本波の波長以上に設定した。エバネッセント波のしみ出しがSTO基板に及ぶと伝搬損失が大きくなるので好ましくないからである。KNエピタキシャル導波路層の膜厚は1〜5μmに設定した。KT層との実効屈折率差の関係で単一モードの導波が可能であり、また1μm未満だと光結合が難しくなり、5μm超だと多モードとなり光パワー密度が低下するからである。
【0026】
また、SiOストライプ4下に形成されるKNチャネル型導波路両側のKN層上に、バッファ層を設けて平行電極5を形成してもよく、チャネル導波路では、上記誘電体装荷型の他に、スラブKN導波路層をエッチングによりリッジ型導波路を形成することもできる。また、金属装荷型、電圧誘起型もチャネル型導波路に用い得る。
【0027】
更にまた、本発明によれば、上記素子の3次元導波路に交差する周期的分極反転層を形成して、非線形光学効果による第2高調波出力がその伝播に伴ってコヒーレンス長毎に極大極小を周期的に繰返すことを利用して、コヒーレンス長毎に発生する分極の符号を交互に反転させて、第2高調波の出力の加算により出力を増大させる疑似位相整合(QPM)の波長変換素子を形成することもできる。さらに導波路の膜厚、オーバーレイヤなどの種々の位相整合方法も用いることもできる。
【0028】
【発明の効果】
本発明によれば、MOCVD法を用い、SrTiO、スピネル固溶体、MgOのいずれかの結晶基板とこの上に形成されたKT又はKTNクラッド層と高光損傷耐性のKNなどの強誘電体結晶導波路、及びこれを有する波長変換素子が得られる。さらに、キャリアーガスの流量を変えることにより、容易に、結晶組成を変えることができるので、導波路の屈折率、膜厚を精密に制御することができ製造容易な波長変換素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】KNbOの結晶格子を示す概略斜視図である。
【図2】SrTiOの結晶格子を示す概略斜視図である。
【図3】本発明による実施例の波長変換素子の概略断面図である。
【図4】エックス線回折により、本発明による実施例のSTO基板(110)面上のKN膜の回折パターンを示す回折ビーム強度−回折角度の特性を示すグラフである。
【図5】本発明による他の実施例の波長変換素子の概略断面図である。
【図6】本発明による他の実施例の波長変換素子の概略斜視図である。
【主要部分の符号の説明】
1 STO(110)面基板
2 KNエピタキシャル層
3 KTエピタキシャルクラッド層
4 SiOストライプ
5 ストライプ電極
6 半導体レーザ制御用回折格子[0001]
[Technical field to which the present invention pertains]
The present invention relates to a nonlinear optical crystal waveguide utilizing second harmonic generation , and a wavelength conversion element having the same , a so-called SHG element.
[0002]
[Prior art]
In the wavelength conversion element, it is necessary to satisfy a phase matching condition in order to efficiently generate the second harmonic. The phase matching method uses the birefringence of the substrate crystal of the wavelength conversion element to satisfy the phase matching condition using angle tuning, temperature tuning, and electric field tuning. Various methods such as film thickness, overlayer, Cerenkov radiation, and quasi-phase matching have been attempted.
[0003]
LiTaO 3 (hereinafter referred to as LT) and LiNbO 3 (hereinafter referred to as LN) composed of lithium Li, potassium K, tantalum Ta, niobium Nb, oxygen O, phosphorus P, titanium Ti, and the like are provided on the substrate of the wavelength conversion element. , KTiOPO 4 (hereinafter, referred to as KTP) or the like is preferably used as a ferroelectric crystal having a large nonlinear optical constant.
[0004]
Conventionally, in the wavelength conversion element, (1) a waveguide is manufactured by Ti diffusion on an LN substrate, and the phase velocities of a fundamental wave and a harmonic wave propagating through the waveguide are matched with adjusting the temperature of the element. That is, phase matching is achieved by satisfying the phase matching conditions and performing wavelength conversion, or (2) by forming an LN crystal film on the LT substrate by a liquid tank epitaxial method and strictly controlling the thickness of the waveguide. And (3) a quasi-phase matching wavelength conversion element that forms a waveguide and a domain-inverted grating orthogonal to the waveguide on an LN, LT, or KTP substrate to achieve phase matching. I have.
[0005]
In order to obtain a large conversion efficiency, it is necessary to use a large non-linear constant, the (1), the nonlinear constants utilized in the method of (2) is d 31, this value is 5小 さ い 7 pm / V, which is small. In the method (3), a large nonlinear constant d 33 can be used. However, in the quasi-phase matching method, an effective nonlinear constant d eff = (2 / π) d 33 is obtained. Disadvantageous. When LN is used, the effective nonlinear constant can be increased, but there is a disadvantage that the optical damage resistance to the blue light obtained by the wavelength conversion is small and a large blue light output cannot be obtained.
[0006]
Therefore, an attempt has been made to use KNbO 3 (hereinafter, referred to as KN), which is a nonlinear optical crystal having a large nonlinear constant and a large optical damage resistance, as a substrate.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In forming the KN waveguide, a KN thin film is formed by a method of performing ion exchange on a KN crystal substrate, a method of performing ion implantation on the substrate, or a sputtering method on a substrate of magnesium oxide MgO or spinel MgOAl 2 O 3. Although there have been attempts to fabricate waveguides by forming them, it has been difficult to produce high-quality KN waveguides, and no practical wavelength conversion element has been obtained.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a waveguide of a ferroelectric crystal having high optical damage resistance formed on a crystal substrate by a thin film crystal forming means such as a metal organic chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as MOCVD). It is to provide a wavelength conversion element having the following.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The waveguide of the present invention is formed on a substrate made of any one of SrTiO 3 (hereinafter, referred to as STO) of titanium oxide containing strontium Sr, a solid solution of spinel [(MgO) (Al 2 O 3 )] , and MgO. A ferroelectric material such as KN formed on a clad layer such as formed KTaO 3 (hereinafter referred to as KT) or KTa x Nb 1-x O 3 ( 0 <x <1) (hereinafter referred to as KTN). It is characterized by being made of crystals.
In addition, the wavelength conversion element of the present invention includes a substrate made of any one of STO of titanium oxide containing strontium Sr, a solid solution of spinel [(MgO) (Al 2 O 3 )], and a crystal of MgO. It is characterized by having a formed cladding layer such as KT and KTN and a waveguide made of a ferroelectric crystal such as KN.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
The inventor of the present invention epitaxially grows KT or KTN as a cladding layer on an STO substrate by MOCVD and further forms a KN epitaxial layer as a core layer thereon, and this epitaxial layer becomes a waveguide with extremely few lattice defects. And arrived at the wavelength conversion element of the present invention.
[0011]
The KN crystal of the ferroelectric crystal having high photodamage resistance is an orthorhombic system which is a rectangular parallelepiped lattice having three different sides in the coordinates shown in FIG. 1, and has a lattice constant of a = 3.9692 Å and b = 5. 0.6896 angstroms, c = 5.7256 angstroms. The relationship between the orthorhombic polarization and the nonlinear sensation tensor and electric field is given by Equation 1 (where P is a polarization component, d is a second-order nonlinear constant, E is a fundamental wave electric field component, and a, b, and c are axial directions). Is shown).
[0012]
(Equation 1)
Figure 0003552135
[0013]
When utilizing KN crystal having a large nonlinear coefficient as SHG element epitaxial Makushirube waveguide, and can use their nonlinear constant d 32 grown in (010) plane or (a-c) plane of KN. In this case, as shown in FIG. 1, a second harmonic wave oscillating in the ac plane is obtained from a fundamental wave oscillating in the ab plane propagating in the a-axis direction. Table 1 shows the nonlinear constants of KN.
[0014]
[Table 1]
(Pm / V) (fundamental wave wavelength λ = 1.06 μm)
d 33 = −27.4 ± 0.3
d 32 = −18.3 ± 0.3
d 32 = -20.5 ± 0.3 (λ = 860 nm)
d 31 = −15.8 ± 0.3
d 24 = 17.1 ± 0.4
d 15 = 16.5 ± 0.4
However, when a crystal film is epitaxially grown on a substrate without being limited to MOCVD, it is generally difficult to obtain a good epitaxial film oriented on the substrate unless the lattice constant between the substrate and the film is matched to some extent. (Ac) It is difficult to achieve plane growth.
[0015]
The STO crystal is cubic and has a lattice constant of 3.9051 Å. On the other hand, the KT crystal is also cubic, and has a lattice constant of 3.98905 angstroms, which is quite close to that of STO.
Therefore, when the orthorhombic KN crystal is grown on this STO crystal or KT crystal, it differs from the lattice constant of the bN and c axes of KN, and for example, a good crystal is formed on the (100) plane of the STO substrate. Growth is difficult.
[0016]
However, as shown in FIG. 2, the (110) plane of the STO has a lattice constant of 5.5226 Å, which is √2 times the a-axis, and is close to the lattice constants of the KN on the b and c axes.
Therefore, the (ab) plane or the (ac) plane of KN can be grown on the (110) plane of the STO. Similarly, the (110) plane of KT is also 5.6413 Å, and KN can be grown.
[0017]
In order to manufacture a waveguide of KN, STO was used as a substrate crystal, KT or KTN to be a clad layer was grown on the surface thereof, and then KN was grown by MOCVD to form a waveguide layer. By finding the conditions under which very good KT, KTN, and KN crystal thin films grow on the (110) plane of the STO, a good KN waveguide can be manufactured.
[0018]
When the STO is used as a substrate, the refractive index of the STO is higher than the refractive index of KN to be the waveguide layer, and the waveguide does not form as it is. For this purpose, first, KT or KTN having a slightly lower refractive index than KN is formed as a cladding layer on the STO substrate, and KN is formed thereon, so that it can be used as a waveguide. When the substrate is a solid solution of spinel or MgO, the refractive index is lower than that of KN, so that the KN film can be used as a waveguide. However, in this case, the refractive index step between the core and the clad is about 0.5, and the KN film needs to be formed as extremely thin as 1 μm or less to be used as a single mode waveguide. Then, it is difficult to couple the fundamental wave of the SHG element. Even in such a case, by forming KT or KTN as a cladding layer on the substrate, the refractive index step between the core and the cladding can be reduced to 0.01 or less. Can have a core thickness of 1 μm or more, which facilitates the coupling of fundamental waves when forming an SHG element. Such an effect is similarly exhibited when the substrate is STO.
[0019]
Next, experimental results for growing a good KN crystal film using STO as a substrate will be described. That is, an STO substrate having a (110) plane as a main surface is loaded into a reaction chamber of an MOCVD apparatus, the temperature is raised to a set temperature, and the inside of the reaction chamber is depressurized to a set pressure. Potassium tanato [K (C 11 H 19 O 2 )] (hereinafter, referred to as K (DPM)) and pentaethoxy niobium [Nb (OC 2 H 5 ) 5 ] (hereinafter, referred to as pentaethoxy niobium) of the apparatus. Each of the starting materials is charged into each of the vaporizers, and the starting materials are sublimated or vaporized by keeping them at the set temperatures to form organometallic compound gases. It was led into a chamber, flowed as a laminar flow, and an epitaxial layer was deposited on the substrate. In addition, a certain amount of oxygen may be added to the reaction gas since the generation of each oxide from the starting material involves an oxidation reaction. The KN epitaxial single crystal thin film could be grown by flowing the source gas on the STO substrate (110).
[0020]
As shown in FIG. 3, a KN epitaxial layer 2 having a higher refractive index than the substrate was formed on the substrate 1 on the STO (110) plane.
According to the X-ray diffraction experiment, it was confirmed that the (ac) plane of the KN film was grown on the STO (110) plane. As shown in FIG. 4, X-ray diffraction revealed that the KN film on the (110) surface of the STO substrate had a diffraction pattern quite similar to that of the STO. In the figure, the vertical axis indicates the diffraction beam intensity, and the horizontal axis indicates the diffraction beam angle. As is clear from the figure, at the diffraction beam angle 2θ, the peaks of the KN crystal plane (020) and the STO crystal plane (110) near 31 and 32 degrees, and the KN crystal plane (040) near 66 and 68 degrees. And the peaks of the STO crystal plane (220) appear close to each other. Also, in the slab-type wavelength conversion element of the KT epitaxial waveguide produced similarly, the KT film had a diffraction pattern quite similar to STO.
[0021]
As described above, since the KN film cannot be used as a waveguide as it is, next, between the STO substrate and the KN epitaxial film waveguide, KTa x Nb 1-x O 3 (0 <X ≦ 1) For example, a wavelength conversion element having a clad layer made of a KT crystal was manufactured.
In order to manufacture an SHG element composed of the STO substrate, the KT crystal clad, and the KN crystal waveguide, KT is first grown on the (110) plane of the STO substrate crystal by the MOCVD apparatus, and then the KN is grown. The waveguide layer was grown in the device. As described above, it is possible to manufacture a good KN waveguide by finding the conditions under which very good KT and KN crystal thin films grow on the (110) plane of the STO.
[0022]
That is, loading the STO substrate in a reaction chamber of the MOCVD apparatus, the temperature, set the pressure, as a starting material, K (DPM) and pentaethoxytantalum [Ta (OC 2 H 5) 5] ( hereinafter, referred pentaethoxytantalum And) were gasified, each of which was flowed on an STO substrate with a carrier gas, and reacted on the substrate to grow a KT epitaxial single crystal thin film. When a KTa x Nb 1-x O 3 (0 <x ≦ 1) epitaxial single crystal thin film is formed, K (DPM), pentaethoxyniobium and pentaethoxytantalum are used as starting materials, and the respective material gas flow rates are controlled. The film is formed by changing the atomic ratio of the components of the epitaxial layer. The refractive index difference between the cladding layer and the waveguide can be controlled by changing the atomic ratio.
[0023]
As shown in FIG. 5, a slab type waveguide in which a KT epitaxial cladding layer 3 and a KN epitaxial layer 2 having a higher refractive index than the KT epitaxial cladding layer 3 were formed on a STO (110) plane substrate 1 was prepared. In the above embodiment, the case where STO (110) is used as the substrate has been described. However, the lattice constant is relatively close to KN, and the solid solution of spinel [(MgO) (Al 2 O 3 )], which is a cubic system, A good slab waveguide having a similar structure could be obtained even when the (110) plane of MgO was used as a substrate.
[0024]
As shown in FIG. 6, a stripe 4 of SiO 2 is formed on the KN epitaxial layer 2 of the two-dimensional waveguide thus manufactured, and furthermore, the phase matching condition between the fundamental wave and the second harmonic is satisfied to stably. In order to maintain this, a stripe electrode 5 was formed in parallel near the waveguide, and a three-dimensional waveguide, that is, a channel waveguide was manufactured. An electric field is applied between the electrodes, and both the effective refractive indexes of the fundamental mode and the second harmonic mode are changed by the electric field by the first-order electro-optic effect to obtain phase matching. Further, the semiconductor laser control diffraction grating 6 may be formed on the SiO 2 stripe 4.
[0025]
By guiding the fundamental wave λ = 860 nm to the epitaxial layer 2 having a large refractive index, good optical confinement was achieved, and the second harmonic λ = 430 nm was obtained with high conversion efficiency. Further, in the SHG element, since KN has a higher optical damage threshold value than LN, LT, and LNT, stable operation up to a high output was obtained. The thickness of the KT epitaxial cladding layer was set to be equal to or longer than the wavelength of the fundamental wave. This is because if the evanescent wave seeps into the STO substrate, the propagation loss increases, which is not preferable. The thickness of the KN epitaxial waveguide layer was set to 1 to 5 μm. This is because single-mode waveguide is possible due to the effective refractive index difference from the KT layer, and if it is less than 1 μm, optical coupling becomes difficult, and if it exceeds 5 μm, it becomes multimode and the optical power density decreases.
[0026]
Further, a buffer layer may be provided on the KN layer on both sides of the KN channel type waveguide formed below the SiO 2 stripe 4 to form the parallel electrode 5. Alternatively, a ridge type waveguide can be formed by etching the slab KN waveguide layer. Further, a metal loaded type and a voltage induced type can be used for the channel type waveguide.
[0027]
Further, according to the present invention, a periodic domain-inverted layer intersecting the three-dimensional waveguide of the device is formed, and the second harmonic output due to the nonlinear optical effect is maximized and minimized for each coherence length with its propagation. The wavelength conversion element of a quasi phase matching (QPM) in which the sign of the polarization generated for each coherence length is alternately inverted by using the cyclic repetition of the above, and the output is increased by adding the output of the second harmonic. Can also be formed. Further, various phase matching methods such as a waveguide film thickness and an overlayer can also be used.
[0028]
【The invention's effect】
According to the present invention, a crystal substrate of SrTiO 3 , spinel solid solution, or MgO, a KT or KTN cladding layer formed thereon, and a ferroelectric crystal waveguide such as KN having high optical damage resistance are formed by MOCVD. , And a wavelength conversion element having the same. Further, since the crystal composition can be easily changed by changing the flow rate of the carrier gas, the refractive index and the film thickness of the waveguide can be precisely controlled, and a wavelength conversion element which is easy to manufacture can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a crystal lattice of KNbO 3 .
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a crystal lattice of SrTiO 3 .
FIG. 3 is a schematic sectional view of a wavelength conversion element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a diffraction beam intensity-diffraction angle characteristic showing a diffraction pattern of a KN film on a surface of an STO substrate (110) of an example according to the present invention by X-ray diffraction.
FIG. 5 is a schematic sectional view of a wavelength conversion element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic perspective view of a wavelength conversion element according to another embodiment of the present invention.
[Description of Signs of Main Parts]
Reference Signs List 1 STO (110) plane substrate 2 KN epitaxial layer 3 KT epitaxial cladding layer 4 SiO 2 stripe 5 Stripe electrode 6 Diffraction grating for semiconductor laser control

Claims (13)

基板上に設けられたクラッド層上に形成された導波路であって、
前記基板がSrTiO3、スピネル[(MgO)(Al23)]の固溶体及びMgOのいずれかの結晶からなり、
前記クラッド層がKTa x Nb 1-x 3 (0≦x≦1)の結晶からなる、ことを特徴とする導波路。
A waveguide formed on a cladding layer provided on a substrate,
Wherein the substrate is SrTiO 3, Ri Do spinel [(MgO) (Al 2 O 3)] of either solid solutions and MgO crystals,
A waveguide, wherein the cladding layer is made of a crystal of KTa x Nb 1-x O 3 (0 ≦ x ≦ 1) .
前記導波路は強誘電体の結晶からなることを特徴とする請求項1記載の導波路。2. The waveguide according to claim 1, wherein the waveguide is made of a ferroelectric crystal. 前記導波路はKNbO3の結晶からなることを特徴とする請求項1または2記載の導波路。 3. The waveguide according to claim 1, wherein said waveguide is made of KNbO 3 crystal. 前記クラッド層が前記SrTiO3、スピネル[(MgO)(Al23)]の固溶体及びMgOのいずれかの結晶の(110)面上に形成されたことを特徴とする請求項3記載の導波路。 The cladding layer is said SrTiO 3, spinel [(MgO) (Al 2 O 3)] of the solid solution and one of the crystals of MgO (110) guiding according to claim 3, characterized in that formed on the surface Wave path. 前記クラッド層がKTaOThe cladding layer is made of KTaO 3Three で形成されたことを特徴とする請求項4記載の導波路。5. The waveguide according to claim 4, wherein the waveguide is formed by: 前記導波路がチャネル型導波路であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1記載の導波路。The waveguide according to any one of claims 1 to 5, wherein the waveguide is a channel waveguide. 前記導波路がスラブ型導波路であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1記載の導波路。The waveguide according to any one of claims 1 to 5, wherein the waveguide is a slab waveguide. SrTiOSrTiO 3Three 、スピネル[(MgO)(Al, Spinel [(MgO) (Al 2Two O 3Three )]の固溶体及びMgOのいずれかの結晶からなる基板と、前記基板上に形成されたKTaA) a substrate comprising a solid solution of any of the above and a crystal of MgO, and KTa formed on the substrate xx NbNb 1-x1-x O 3Three (0≦x≦1)の結晶からなるクラッド層と、前記クラッド層上に形成された強誘電体の結晶からなる導波路と、を有することを特徴とする波長変換素子。A wavelength conversion element comprising: a cladding layer made of a crystal (0 ≦ x ≦ 1); and a waveguide made of a ferroelectric crystal formed on the cladding layer. 前記導波路がKNbOThe waveguide is KNbO 3Three の結晶からなることを特徴とする請求項8記載の波長変換素子。9. The wavelength conversion element according to claim 8, comprising a crystal of: 前記クラッド層が前記SrTiOThe clad layer is made of the SrTiO 3Three 、スピネル[(MgO)(Al, Spinel [(MgO) (Al 2Two O 3Three )]の固溶体及びMgOのいずれかの結晶の)] Of any of the solid solution and the MgO crystal (110)(110) 面上に形成されたことを特徴とする請求項9記載の波長変換素子。The wavelength conversion element according to claim 9, wherein the wavelength conversion element is formed on a surface. 前記クラッド層がKTaOThe cladding layer is made of KTaO 3Three で形成されたことを特徴とする請求項8記載の波長変換素子。9. The wavelength conversion element according to claim 8, wherein the wavelength conversion element is formed by: 前記導波路がチャネル型導波路であることを特徴とする請求項8〜11のいずれか1記載の波長変換素子。The wavelength conversion element according to claim 8, wherein the waveguide is a channel waveguide. 前記導波路がスラブ型導波路であることを特徴とする請求項8〜11のいずれか1記載の波長変換素子。The wavelength conversion element according to claim 8, wherein the waveguide is a slab waveguide.
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